عيوب لحام BGA: تقنيات فحص الأشعة السينية للوحة الدوائر المطبوعة وإعادة العمل

مقدمة

التقدم المستمر في التكنولوجيا قد دفع بالإلكترونيات نحو أجهزة أكثر ذكاءً، وأسرع، وأصغر حجمًا. وقد دفعت الحاجة إلى هذه المنتجات بتطوير تقنيات عالية الكثافة يمكن تجميعها بسرعة وربطها بشكل موثوق بالتعقيد المتزايد للدوائر الحديثة. وقد برزت أجهزة المصفوفة الكروية (BGA) كحل أساسي بفضل قدرتها على تعظيم كثافة الدوائر وتحسين الأداء في تجميع اللوحات الإلكترونية (PCB).

لقد اعتمدت التصنيع الإلكتروني الحديث على نطاق واسع مكونات BGA. تُستخدم هذه التقنية في الإلكترونيات الاستهلاكية مثل الهواتف الذكية وأجهزة الألعاب، وكذلك في القطاعات عالية المستوى مثل الفضاء الجوي والإلكترونيات الطبية. يجب على الشركات المصنعة إتقان تقنيات لحام مكونات BGA، والاحتفاظ بالقدرة التشغيلية لأنظمة فحص الأشعة السينية، وإتقان تقنيات الإصلاح المتقدمة لمكونات BGA. تمتلك هذه المهارات التقنية الاحترافية قيمة كبيرة خلال مرحلة تطوير النموذج الأولي، كما أنها لا غنى عنها في عمليات الإنتاج الضخم. يضمن الإتقان الشامل لهذا النظام التقني أن تفي المنتجات النهائية بمعايير الأداء.

ما هو لحام Ball Grid Array ( BGA )؟

Ball Grid Array: البنية والمساهمة في تجميع الدوائر

مصفوفة الكرات الشبكية (BGA) هي تقنية تغليف للدوائر المتكاملة، يتم فيها ترتيب كرات اللحام على شكل نمط شبكي أسفل جهاز BGA. أثناء عملية التجميع، تنصهر هذه الكرات وتشكل اتصالات ميكانيكية وكهربائية بين العبوة ولوحة الدوائر المطبوعة (PCB). على عكس العبوات التقليدية، فإن وصلات لحام BGA تكون مخفية—مما يجعلها غير متاحة للفحص البصري البسيط، ويؤدي إلى زيادة الاعتماد على تقنيات فحص متقدمة مثل فحص الأشعة السينية.

كيفية لحام وحدات BGA على لوحة الدوائر المطبوعة

• الخطوة 1: تصميم وسادة البصمة للوحة الدوائر المطبوعة بحيث تكون محاذاة بدقة مع كرات اللحام.
• الخطوة 2: تطبيق معجون اللحام على لوحة الدوائر المطبوعة باستخدام قالب، والذي يوزع الكمية المناسبة من المعجون على كل وسادة.
• الخطوة 3: وضع مكون BGA بحيث تكون كل كرة محاذاة مع وسادتها.
• الخطوة 4: يتم إدخال تجميع لوحة الدوائر المطبوعة في فرن إعادة الذوبان (reflow oven)، حيث يتم تسخين الدائرة بحيث تنصهر الكرات الموجودة في الشبكة بشكل كافٍ وتشكل اتصالات بين BGA ولوحة الدوائر المطبوعة.
• الخطوة 5: بعد التبريد، تكون كرات لحام BGA قد تماسكت مجددًا، مشكلة وصلات موثوقة.

هيكل وصلة لحام مصفوفة الكرات

تطوير وخصائص أجهزة BGA

تم دفع تطوير تقنية المصفوفة الكروية من خلال الحاجة إلى زيادة كثافة المدخلات/المخرجات وتحسين الأداء في التجميعات الإلكترونية. ومع توليد الدوائر المتكاملة داخل العبوة لمزيد من الحرارة والحاجة إلى اتصالات أكثر متانة، أصبحت تقنية BGA تقدمًا محوريًا.

الخصائص الرئيسية لتقنية BGA:

• مرتبة بنمط شبكي: تُرتب الكرات اللحامية في صفوف وأعمدة عند قاع العبوة مما يسمح بزيادة كثافة الدبابيس.
• أداء كهربائي محسن: توفر الاتصالات اللحامية القصيرة والمباشرة مقاومة ومحاثة أقل، وهو ما يُعد أمرًا حيويًا للدوائر عالية السرعة.
• إدارة الحرارة: تسمح مساحة الوصلة الكبيرة وتوزيع الشبكة بتبدد الحرارة الناتجة عن الدائرة المتكاملة بشكل أكثر فعالية.
• التوافق مع لوحات الدوائر عالية الكثافة: تدعم تقنية BGA خطوات كرات دقيقة—وهو ما يُعد مفيدًا لتجميع لوحات الدوائر عالية الكثافة.
• تحسين الموثوقية: توزع الهندسة والبنية الإجهاد بشكل متساوٍ، مما يقلل من خطر إجهاد مفصلات اللحام.

لماذا تهيمن وحدات التجميع الشبكية (BGA) على تصميم لوحات الدوائر الحديثة

جاء التحول نحو وحدات التجميع الشبكية (BGA) والشراكات مع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) من الحاجة إلى أجهزة قادرة على التعامل مع الأداء عالي السرعة، والقدرة الأعلى، والتوصيلات العديدة دون زيادة حجم لوحة الدائرة. وقد أدى هذا التقدم التكنولوجي إلى تغليف ما يقارب جميع المعالجات، والبوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs)، والذاكرة عالية السرعة كدوائر متكاملة من نوع BGA في الأجيال الحديثة من المنتجات الإلكترونية.

تقنيات لحام وحدات التجميع الشبكية (BGA)

نظرة عامة على تقنيات لحام وحدات التجميع الشبكية (BGA)

يتطلب لحام الحزمة الشبكية (BGA) متطلبات تقنية أعلى بكثير مقارنةً بالحزم التقليدية ذات الرصاص. ويهدف هذا الإجراء إلى تحقيق اتساق كامل في وضع كرات اللحام. وتشمل الأهداف الرئيسية تحقيق تحكم دقيق في درجة حرارة التسخين. ويتطلب الإجراء في النهاية تشكيل وصلات لحام نظيفة وخالية من الفراغات.

تشمل تقنيات اللحام:

• عملية إعادة الانصهار: الطريقة القياسية، وتستخدم فرن إعادة الانصهار لتسخين وذوبان كرات اللحام بشكل عام أو موضعي بين الحزمة ولوحة الدوائر المطبوعة.
• اللحام اليدوي: تُستخدم بشكل أساسي لإعادة العمل على مكونات BGA أو تجميع النماذج الأولية — وغالبًا ما تتضمن تسخين المكوّن محليًا باستخدام أداة هواء ساخن.
• باستخدام محطة إعادة التصنيع بالهواء الساخن: لأغراض الإصلاح/إعادة العمل، يتم تسخين المنطقة المحيطة بمكوّن BGA المعطوب بواسطة مصدر هواء ساخن خاضع للتحكم و/أو مصدر أشعة تحت الحمراء لإزالته أو استبداله أو إعادة صهره.
• المحاذاة والوضع: تحاذِي أنظمة التقاط-والوضع أو المجاهر اليدوية الكرات البرونزية بدقة فوق ألواح اللوحة الدوائر المطبوعة (PCB) المقابلة لها.

المتغيرات الحرجة في لحام BGA

نصائح للحام BGA المثالي

• افحص دائمًا رواسب معجون اللحام قبل التركيب، لأن بقعة مفقودة تعني عقد لحام مفقود.
• ادعم لوحة الدوائر الكهربائية (PCB) بعناية أثناء التسخين لتجنب الانحناء، الذي يؤدي إلى تشكل غير منتظم لروابط اللحام.
• في النماذج الأولية وإعادة لحام BGA، ابدأ باستخدام لوحات دوائر كهربائية مستعملة لتحسين تسخين مكون BGA محليًا قبل الانتقال إلى التجميعات القيّمة.

تقنيات فحص روابط اللحام وتقنيات الفحص

لماذا يكون الفحص أمرًا بالغ الأهمية

بما أن روابط لحام BGA تكون مخفية تحت العبوة، فإن تحديد العيب باستخدام مؤشرات بصرية فقط يكاد يكون مستحيلاً. ولهذا السبب يُعد فحص الأشعة السينية، إلى جانب تقنيات الفحص الأخرى (الفحص البصري، الاختبار الكهربائي)، جزءًا أساسيًا من العملية.

تقنيات الفحص الخاصة بـ BGA

1. الفحص البصري:

• تُستخدم في التركيب والمحاذاة، وكذلك لرؤية الكرات على محيط العبوة.

2. الفحص البصري (AOI):

• يُستخدم الفحص البصري الآلي للكشف عن الأخطاء في التركيب، والارتفاع غير المناسب، وبعض عيوب الجسور عند حافة الحزمة.

3. الفحص بالأشعة السينية:

• يتيح لك كل من الفحص اليدوي والفحص بالأشعة السينية الآلي (AXI) فحص وصلات اللحام المخفية أسفل شبكة المصفوفة الكروية (BGA). وتُستخدم صور الأشعة السينية لفحص عيوب كرات اللحام، والتوصيل العرضي، والفراغات، والانقطاعات، وظاهرة الرأس في الوسادة (head-in-pillow).

4. الاختبار الكهربائي:

• تؤكد اختبارات الدائرة الداخلية واختبارات المسبار الطائر استمرارية جميع التوصيلات بين شبكة المصفوفة الكروية (BGA) ولوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

5. طرق فحص أخرى:

• وتُستخدم أنظمة الفحص الصوتي والفحص بالأشعة تحت الحمراء أيضًا لاكتشاف العيوب المتقدمة (مثل تشقق الطبقات، والفراغات، وزيادة الحرارة).

مقارنة أنظمة الفحص

تكنولوجيا التفتيش المتقدمة

أدى تطور تقنية التفتيش إلى ظهور أنظمة AXI ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي، وأنظمة أشعة سينية عالية الدقة، وبرامج قادرة على تحديد الإشارات تلقائيًا عند انخفاض درجة الحرارة أثناء عملية اللحام أو عند احتمال وجود عيب مثل نقص اللحام.

نصائح لتفتيش وصلات اللحام عالية الجودة

• قم بمعايرة أنظمة فحص الأشعة السينية بشكل دوري للحصول على وضوح مثالي للصور واكتشاف دقيق للوصلات القصيرة والفراغات والانقطاعات.
• استخدم فحص الأشعة السينية الآلي (AXI) في الإنتاج الضخم. فهذا يسرّع عملية التجميع مع الحفاظ على الشمولية.
• في النماذج الأولية، اجمع بين فحص الأشعة السينية والتفتيش البصري اليدوي، لأن العين البشرية قد تكتشف أحيانًا عيوبًا خفيفة لا تستطيع الأنظمة الآلية رصدها.
• اقرن فحص الأشعة السينية بأساليب الاختبار الكهربائي للتأكد من أن كل دائرة يتم التحكم بها بواسطة جهاز BGA تعمل تحت الحمل، وليس فقط في حالة السكون.

العيوب الشائعة في BGA وكيفية تجنبها

حتى مع تصميم ممتاز للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) وعناصر BGA، يمكن أن تحدث عيوب مختلفة أثناء عملية اللحام أو بعدها. إن فهم الأسباب والوقاية منها هو المفتاح لدوائر قوية وموثوقة.

العيوب النموذجية في لحام BGA

الأعراض الشائعة

• أعطال متقطعة في لوحة الدوائر (نتيجة لانفصال الوصلات أو وصلات باردة)
• دوائر قصيرة بعد التشغيل الأولي (نتيجة لجسور اللحام)
• لا يوجد إشارة أو مقاومة عالية على دبابيس الخرج (نتيجة فراغات/رأس على وسادة)

كيفية تجنب المشكلات الشائعة في وحدات BGA

• صمم أنماط اللوحات والمسافات بين الكرات بعناية : تأكد من أن نمط المساحة للجهاز BGA يتطابق تمامًا مع الحزمة.
• تحكم في درجة حرارة اللحام : تجنب ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاض درجة حرارة اللحام بشكل كافٍ أثناء عملية إعادة الذوبان.
• تفقد جودة طباعة المعجون : استخدم آلات فحص معجون اللحام عند الإمكان، وقم بالتصحيح الفوري إذا كانت هناك وسادات مفقودة أو زائدة في كمية اللحام.
• قم بتحميص رقائق BGA الحساسة للرطوبة قبل اللحام : يُجنِّب هذا ظاهرة "ال popping" (كما في الفشار) وزيادة حجم التجويف عندما تنصهر الكرات الموجودة في الشبكة.
• استخدم دائمًا فرن إعادة الذوبان المناسب ذو الملف التعريفي الدقيق: قيسّم درجة الحرارة القصوى والمدة لكل عملية تجميع لتقليل الوصلات الباردة أو المحروقة.

عملية إصلاح BGA: الأدوات والتقنيات

عندما تُظهر عملية التجميع أو الفحص وجود وصلة لحام معيبة أو مكون BGA معيب، تبدأ عملية إصلاح BGA. من الضروري اتباع نهج منهجي لتجنب أي ضرر إضافي.

الأدوات والتقنيات المستخدمة في إصلاح BGA

محطة إعادة العمل BGA:

الأداة الأساسية هي محطة إعادة عمل مصممة لمكونات BGA.

تأتي هذه المحطات مع ضوابط دقيقة لدرجة الحرارة، وأنظمة بصرية للمحاذاة، وفوائص هوائية ساخنة متخصصة أو سخانات بالأشعة تحت الحمراء لتسخين المكوّن BGA محليًا.

أداة الهواء الساخن وسخان الأشعة تحت الحمراء المسبق:

يسمح استخدام أداة الهواء الساخن بإزالة الجزء المعيب بأمان دون التأثير على وصلات اللحام المجاورة.

يسخّن السخان بالأشعة تحت الحمراء اللوحة الدائرية تدريجيًا لمنع التشوه أو الصدمات الحرارية.

الأنظمة البصرية والمحاذاة:

تتضمن المحطات الحديثة كاميرات أو مجاهر لمحاذاة كرات اللحام بدقة مع الفتحات باستخدام كرات لحام.

أدوات إعادة التلبيس (Reballing):

لمكونات BGA التي يجب إعادة استخدامها، فإن عملية "إعادة التلبيس" تستبدل كرات اللحام القديمة أو الملوثة بكرات جديدة.

طابعة معجون اللحام أو قالب صغير:

لوضع الكمية المناسبة من اللحام للـ BGA الجديد.

عملية إصلاح الـ BGA (خطوة بخطوة)

التحضير

افحص وتأكد من العيب والدائرة المراد إصلاحها.

أزل الرطوبة من لوحة الدوائر المطبوعة والـ BGA بواسطة التسخين المسبق.

إزالة

استخدم محطة الإصلاح لتسخين مكون الـ BGA محليًا.

بمجرد انصهار كريات اللحام، ارفع الـ BGA باستخدام أداة شفط هوائية.

تنظيف الموقع وفحص الوسادات

نظف اللحام المتبقي من وسادات لوحة الدوائر المطبوعة؛ وافحص وجود رفع في الوسادات أو تلف في اللوحة.

تركيب الـ BGA الجديد

لـ BGA جديد، قم بتطبيق معجون اللحام على الوسادات، واستخدم أدلة المحاذاة لتحديد الموضع.

إعادة صهر اللحام

استخدم أداة الهواء الساخن أو عناصر تحكم محطة الإصلاح لإعادة صهر كرات اللحام الجديدة وتكوين الاتصالات بين BGA واللوحة الأم (PCB).

الفحص النهائي

قم بفحص الأشعة السينية، والتفتيش البصري، واختبار كهربائي حسب الحاجة.

أفضل الممارسات لتجميع اللوحات المطبوعة (PCB)، وإعادة الصهر، والجودة

• تجنب العيوب من خلال التحقق من كل خطوة: من طباعة المعجون ورفع-ووضع إلى إعادة الصهر والتفتيش.
• استخدم فحص الأشعة السينية الآلي للوحات المطبوعة ذات عدد كبير من وحدات BGA : اختيار الأعطال يدويًا في كرات اللحام المخفية غير عملي عند الحجم الكبير.
• راقب درجة حرارة اللحام : قم بتحليل كل لوحة باستخدام أزواج حرارية، خاصةً للوحات المعقدة وكثيفة التركيب.
• احفظ وحدات BGA وفقًا لتوصيات الشركات المصنعة : منع أكسدة كريات اللحام وامتصاص الرطوبة.

الأسئلة الشائعة

س: هل يمكن استخدام لحام يدوي لأجهزة BGA؟

ج: عمومًا لا يُناسب اللحام اليدوي تجميع BGA بسبب طبيعة الوصلات اللحامية المخفية والدقيقة. ومع ذلك، فإنه يلعب دورًا حيويًا في أعمال الإصلاح باستخدام فوهات هواء ساخن خاصة وفحص بصري دقيق.

س: هل يلزم دائمًا استخدام الأشعة السينية لفحص BGA؟

ج: نعم، في حالة الإنتاج—لأن وصلات اللحام تكون مخفية تحت الغلاف ولا يمكن تقييمها بالكامل عبر التقنيات البصرية أو المرئية.

س: ما هي العلامات التي تدل على فشل عملية لحام BGA؟

ج: إشارات متقطعة، أو عدم وجود خرج، أو عطل في الجهاز؛ ويتم التأكد منها عن طريق الفحص بالأشعة السينية أو فشل الاختبارات الكهربائية.

س: كيف تتجنب العيوب الشائعة في عملية BGA أثناء إعادة التسخين؟

أ: يقلل التوصيف الصحيح للفرن، وتصميم القالب بعناية، وتقنيات الفحص الروتينية من العيوب الواضحة والخفية على حد سواء.

الاستنتاج

كان تطوير تغليف الشبكة الكروية محوريًا في تلبية الطلب المتزايد باستمرار على الأجهزة الإلكترونية الأصغر حجمًا، والأكثر قوة، والأكثر موثوقية. ومع ذلك، فإن وصلات اللحام في أجهزة BGA—المصففة بنمط شبكي ومخفية في أسفل الغلاف—تتطلب تقنيات متقدمة في التجميع، وإعادة العمل، والفحص. من استخدام أفران إعادة الذوبان، ومحطات إعادة عمل BGA المتطورة، إلى ضرورة استخدام فحص الأشعة السينية المتقدمة، يتطلب الإجراء بأكمله الانتباه لأدق التفاصيل.

يتطلب تجنب العيوب الشائعة في مصفوفة الشبكة الكروية (BGA) وجود ضوابط عملية قوية والالتزام باستخدام الأدوات المناسبة وطرق الفحص. ويضمن التقاء التصميم الجيد وتقنيات اللحام الخبيرة والفحص الدقيق والإصلاح الدقيق أن تفي كل لوحة دوائر كثيفة—وكل دائرة متكاملة داخل الحزمة—بوعدها من حيث المتانة والأداء.

ابقَ في المقدمة في عالم تجميع لوحات الدوائر المطبوعة الآخذ في التطور المستمر—أتقن لحام مصفوفة الشبكة الكروية (BGA)، وحافظ على تحديث تقنيات الفحص، واستثمر في مهارات فريقك.